1、什么是EMI？

電磁干擾（EMI）是會影響系統(tǒng)性能的電磁信號。這種干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)的方式對電路造成影響。對于汽車、醫(yī)療設(shè)備以及測試與測量設(shè)備的制造商來說，EMI是一項重要的設(shè)計挑戰(zhàn)。由于功率密度的增加、開關(guān)頻率的提升以及電流的增大，電源性能要求不斷提高，EMI問題也愈加凸顯，因此急需有效的解決方案來減輕其影響。許多行業(yè)對EMI有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，如果在設(shè)計初期未加以重視，可能會嚴(yán)重延遲產(chǎn)品的上市時間。

2、EMI耦合類型

EMI是當(dāng)電子系統(tǒng)中的干擾源與接收器（即系統(tǒng)內(nèi)的某些元件）發(fā)生耦合時產(chǎn)生的問題。根據(jù)耦合方式的不同，EMI可以分為兩類：傳導(dǎo)型和輻射型。

傳導(dǎo)EMI（低頻，450 kHz至30 MHz）
傳導(dǎo)EMI是通過寄生阻抗以及電源和接地連接，以傳導(dǎo)方式耦合到元件中的。噪聲通過傳導(dǎo)路徑傳輸?shù)搅硪粋€器件或電路。傳導(dǎo)EMI可以進一步分為共模噪聲和差模噪聲。
共模噪聲是通過寄生電容和高dV/dt（C × dV/dt）進行傳導(dǎo)的。它沿著任意信號（正或負(fù)）到地（GND）的路徑，通過寄生電容進行傳輸，如圖1所示。
DifferenTIal-mode noise is conducted via parasiTIc inductance （magneTIc coupling） and a high di/dt （L × di/dt）。
差模噪聲通過寄生電感（磁耦合）和高di/dt （L × di/dt）進行傳導(dǎo)。

差模和共模噪聲。

輻射EMI（高頻，30 MHz 至1 GHz）

輻射EMI是通過磁場能量以無線方式傳播到其他器件的干擾信號。在開關(guān)電源中，這種噪聲是由于高di/dt與寄生電感之間的耦合引起的。輻射噪聲會影響到附近的器件，可能導(dǎo)致它們的性能下降。

3EMI控制技術(shù)

首先，要確認(rèn)EMI確實是一個問題。雖然這看似簡單，但要準(zhǔn)確判斷問題的存在可能非常耗時，因為需要借助EMI測試室（并非隨處可得）來量化電源產(chǎn)生的電磁能量，并判斷是否符合系統(tǒng)的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

如果測試結(jié)果表明電源確實存在EMI問題，設(shè)計人員將需要采取多種傳統(tǒng)的校正策略來減少EMI影響，其中包括：

提高效率：在盡可能小的電路板空間內(nèi)實現(xiàn)高效率。

優(yōu)化散熱：良好的熱性能對于減少EMI至關(guān)重要。

布局優(yōu)化：電源布局與組件選擇同樣重要。布局優(yōu)化通常是一個迭代過程，經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員可以減少迭代次數(shù)，從而避免延誤和額外的設(shè)計成本。但問題在于，內(nèi)部人員可能缺乏這種經(jīng)驗。

使用緩沖器：一些設(shè)計人員會提前規(guī)劃簡單的緩沖器電路（例如從開關(guān)節(jié)點到GND的RC濾波器），以抑制開關(guān)節(jié)點的振鈴現(xiàn)象，這是產(chǎn)生EMI的主要原因之一。然而，這種技術(shù)會增加損耗，對效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

降低邊沿速率：通過降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來減少開關(guān)節(jié)點的振鈴，同樣會對效率產(chǎn)生不利影響。

展頻技術(shù)（SSFM）：許多ADI公司的Power by Linear?開關(guān)穩(wěn)壓器都提供展頻功能，這有助于產(chǎn)品通過嚴(yán)格的EMI測試。展頻技術(shù)通過在一定范圍內(nèi)調(diào)制開關(guān)頻率，將峰值噪聲分布到更寬的頻率范圍內(nèi)，從而降低EMI。

濾波與屏蔽：雖然濾波和屏蔽可以減少EMI，但它們往往成本高昂，占用空間，也增加了生產(chǎn)復(fù)雜性。

盡管這些措施都能減少噪聲，但也各有不足。最大限度地降低電源設(shè)計中的噪聲通常是解決問題的關(guān)鍵，但這一過程往往困難重重。為此，ADI公司的Silent Switcher?和Silent Switcher 2穩(wěn)壓器提供了一種更為簡潔的方案，它們在穩(wěn)壓器內(nèi)部實現(xiàn)了低噪聲，從而無需額外的濾波、屏蔽或大量的布局迭代。這樣不僅加快了產(chǎn)品的上市時間，還顯著降低了成本。
最大限度地減小電流回路

為了有效減少EMI，首先要識別電源電路中的“熱回路”（高di/dt回路）并減小其影響。熱回路在圖2中有所展示。在標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的工作周期內(nèi)，當(dāng)M1關(guān)閉、M2打開時，交流電流沿著藍(lán)色回路流動；當(dāng)M1打開、M2關(guān)閉時，電流則沿著綠色回路流動。然而，產(chǎn)生最高EMI的回路并不直觀，它既不是藍(lán)色回路，也不是綠色回路，而是傳導(dǎo)全開關(guān)交流電流（從零到峰值再回到零）的紫色回路。由于這個回路中交流和EMI能量最大，稱之為“熱回路”。

熱回路中的高di/dt和寄生電感是導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的主要原因。為了減少EMI并提高電路性能，必須盡量降低紫色回路的輻射效應(yīng)。熱回路的電磁輻射干擾會隨著其面積的增加而增加，因此，理想的解決方案是將熱回路的PCB面積盡可能縮小，甚至理想情況下減小到零，并使用零阻抗的理想電容來消除問題。這樣可以顯著降低電磁噪聲，提升系統(tǒng)的整體性能。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器的熱回路。
使用Silent Switcher穩(wěn)壓器實現(xiàn)低噪聲磁場抵消

雖然完全消除熱回路區(qū)域是不可能的，但我們可以將其分成兩個極性相反的回路。這種設(shè)計能夠在IC周圍形成局部磁場，并有效抵消彼此的干擾。這正是Silent Switcher穩(wěn)壓器的核心理念，通過這種方式大幅降低噪聲干擾，提升電源的整體性能。

圖3.Silent Switcher穩(wěn)壓器中的磁場抵消。
倒裝芯片取代鍵合線

另一種改善EMI的方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線長度。這可以通過放棄傳統(tǒng)的鍵合線連接芯片與封裝引腳的方法來實現(xiàn)。采用倒裝芯片技術(shù)，將芯片直接安裝在封裝上，并添加銅柱連接。這樣可以大幅縮短內(nèi)部FET與封裝引腳及輸入電容之間的距離，從而進一步減小熱回路的面積，顯著降低EMI的影響。

穩(wěn)壓器應(yīng)用示例，可通過兩個輸入電壓引腳上對稱布置的輸入電容來識別。在這種設(shè)計中，布局至關(guān)重要，因為Silent Switcher技術(shù)依賴于輸入電容的對稱布置，以實現(xiàn)磁場的有效抵消。如果布局不對稱，Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢將無法充分發(fā)揮。那么，如何確保設(shè)計和生產(chǎn)過程中都能保持正確的布局呢？答案就是使用Silent Switcher 2穩(wěn)壓器，它能夠在這一方面提供更好的保障。
Silent Switcher 2穩(wěn)壓器通過進一步減少EMI實現(xiàn)了更高的性能。它將電容（包括VIN電容、INTVCC電容和升壓電容）集成到LQFN封裝內(nèi)，從而消除了PCB布局對EMI性能的敏感性。這些電容被設(shè)計為盡可能靠近引腳的位置。所有的熱回路和接地層都在封裝內(nèi)部，這不僅將EMI降至最低，還大幅減少了解決方案的總占板面積。
 2、穩(wěn)壓器。
Silent Switcher 2技術(shù)還提升了熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個大面積接地裸露焊盤有效地通過PCB散熱，進一步改善了熱管理。同時，去除高電阻的鍵合線也提高了轉(zhuǎn)換效率。在EMI性能測試中，LT8640S不僅符合CISPR 25 Class 5峰值限制要求，還有較大的裕量。
μModule Silent Switcher穩(wěn)壓器

借助Silent Switcher產(chǎn)品組合的開發(fā)經(jīng)驗，并結(jié)合現(xiàn)有的廣泛μModule?產(chǎn)品系列，我們提供的電源解決方案不僅易于設(shè)計，還能滿足關(guān)鍵性能指標(biāo)，如熱性能、可靠性、精度、效率和優(yōu)良的EMI性能。

穩(wěn)壓器集成了兩個能夠?qū)崿F(xiàn)磁場抵消的輸入電容以及其他所需的無源組件。這些組件都封裝在一個6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm的BGA封裝中，使客戶能夠?qū)⒏嗑性陔娐钒宓钠渌O(shè)計方面。

典型的高速ADC需要多種電壓軌，其中一些電壓軌的噪聲必須極低，以實現(xiàn)ADC在數(shù)據(jù)表中的最佳性能。為了在高效率、小尺寸板空間和低噪聲之間找到平衡，常見的解決方案是將開關(guān)電源與LDO后置穩(wěn)壓器結(jié)合使用，如圖10所示。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以高效率提供更大的降壓比，但噪聲相對較高。LDO后置穩(wěn)壓器雖然效率較低，但能有效抑制開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲，從而提供更清潔的電源，使ADC能夠達(dá)到最高性能。盡可能減小LDO后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提升效率。然而，多個穩(wěn)壓器會使布局變得更復(fù)雜，并且LDO后置穩(wěn)壓器在較高負(fù)載下可能會導(dǎo)致散熱問題。
圖10.為 AD9625 ADC供電的典型電源設(shè)計。

圖10中的設(shè)計顯然需要在低噪聲、效率和電路板空間之間做出權(quán)衡。在這種情況下，低噪聲是優(yōu)先考慮的因素，因此效率和電路板空間可能需要有所妥協(xié)。但其實不必如此。

最新一代的Silent Switcher μModule器件將低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計與μModule封裝相結(jié)合，實現(xiàn)了設(shè)計簡便、高效率、小尺寸和低噪聲的完美平衡。這些穩(wěn)壓器不僅最大限度地減少了電路板占用空間，還具備可擴展性，能夠通過一個μModule穩(wěn)壓器為多個電壓軌供電，進一步節(jié)省空間和設(shè)計時間。圖11展示了使用LTM8065 Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為ADC供電的替代電源方案。

圖11.使用Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為AD9625供電，可節(jié)省空間的解決方案。

這些設(shè)計已經(jīng)經(jīng)過詳細(xì)測試和比較。ADI公司最近發(fā)布的一篇文章對使用圖10和圖11中電源設(shè)計的ADC性能進行了評估。測試包括以下三種配置：

使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器為ADC供電的標(biāo)準(zhǔn)配置。

使用LTM8065直接為ADC供電，不進行進一步的濾波。

使用LTM8065和額外的輸出LC濾波器，進一步凈化輸出。

測試結(jié)果表明，LTM8065能夠直接為ADC供電，而不會對ADC性能產(chǎn)生負(fù)面影響，其SFDR（無失真動態(tài)范圍）和SNRFS（信噪比）結(jié)果均令人滿意。

這一實施方案的核心優(yōu)勢在于顯著減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡化了生產(chǎn)過程，并減少了電路板的占用空間。

小結(jié)

隨著系統(tǒng)級設(shè)計對規(guī)范要求越來越嚴(yán)格，模塊化電源設(shè)計變得尤為重要，特別是對于電源設(shè)計經(jīng)驗有限的情況。許多細(xì)分市場的系統(tǒng)設(shè)計必須符合最新的EMI規(guī)范，Silent Switcher技術(shù)在小尺寸設(shè)計中的應(yīng)用，再加上μModule穩(wěn)壓器的簡單易用特性，可以顯著縮短產(chǎn)品上市時間，并節(jié)省電路板空間。

Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器的優(yōu)勢包括：

節(jié)省PCB布局設(shè)計時間：無需重新設(shè)計電路板即可解決噪聲問題。

無需額外的EMI濾波器：節(jié)省元件和電路板空間成本。

降低了電源噪聲調(diào)試的需求：減少對內(nèi)部電源專家的依賴。

提供高效率：在寬工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出色。

為噪聲敏感型器件供電時，無需LDO后置穩(wěn)壓器：簡化設(shè)計。

縮短設(shè)計周期：加快產(chǎn)品開發(fā)進程。

在小尺寸電路板上實現(xiàn)高效率：優(yōu)化空間使用。

良好的熱性能：確保穩(wěn)定運行